呂志鵬 伍吉倉 孟國杰 喬學軍 徐克科

1)同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092

2)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

3)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

4)河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作454000

1 引言

青藏高原東緣構造運動之活躍、地震活動之強烈得到地學界的廣泛關注。各種GPS 形變監(jiān)測網(wǎng)的廣泛布設為地殼形變研究提供了強有力的工具。諸多學者利用GPS 數(shù)據(jù)得出了一系列的有益成果［1－5］。文獻［3］根據(jù)1999—2007年“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡”3 期GPS 觀測資料，利用最小二乘配置得出龍門山斷裂帶受巴顏喀拉塊體自西向東的擠壓作用處于緩慢應變積累狀態(tài)，其中2004—2007 局部擠壓增強。文獻［4］利用下地殼層流動力學模型對川西地區(qū)構造特征進行分析，得出沿鮮水河斷裂的地殼滑移以及應變向其他不同走向斷裂的分配是川西地區(qū)的構造變形和強震活動的主要成因。文獻［5］的研究得出汶川地震是川西高原長期持續(xù)的變形轉換為龍門山斷裂帶的應力積累的結果。本文在已有研究成果的基礎上，利用“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”2009—2011年GPS 監(jiān)測站點的速度場，通過三角形法計算青藏高原東緣的應變，探討汶川Ms8.0地震后青藏高原東緣的地殼形變特征。

2 應變計算模型

采用三角形法［6］計算地應變，三角形的三個頂點為GPS 形變監(jiān)測點。假設在三角形覆蓋范圍內介質連續(xù)并且發(fā)生均勻微小應變，根據(jù)Jaeger［6］關于均勻微小應變的結論，位移(速度)與應變(率)之間滿足:

式中，ΔxAB、ΔyAB、ΔxAC、ΔyAC分別為形變監(jiān)測點A 與B、C 之間的坐標增量，uA，vA，uB，vB，uC，vC分別為形變監(jiān)測點A、B、C 在x、y 軸方向的位移(速度)。εx、εy、γxy為地應變(率)分量，ω 為旋轉分量(角速度分量)。它們的定義為:

根據(jù)式(1)計算三角形單元的地應變(率)，只要三角形單元的三個頂點不在一條直線上，方程具有唯一解。在地應變(率)計算過程中，利用三角形形狀因子［7］對三角形計算單元進行篩選，剔除形狀較差的三角形確保地應變(率)分量計算精度。此外，假設GPS 獲取的形變監(jiān)測點的位移(速度)估值中已經(jīng)去除構造運動背景場、固體潮汐、季節(jié)性變化等非形變信息，位移估計值的誤差服從正態(tài)分布，根據(jù)式(1)的解可知應變是位移(速度)的線性組合，故應變估值也服從正態(tài)分布［8］。因而，可以用χ2檢驗對地應變(率)估值的顯著性進行檢驗。應變的計算可以在高斯平面直角坐標系下進行，也可以在球坐標系下進行［9］?？紤]到由“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡［10］”構成的Delaunay 三角網(wǎng)尺度(周長)絕大部分都在106km 以內，分別在高斯直角坐標系下和球坐標系下計算地應變(率)，對結果的比較顯示兩種方法并無顯著差異。

3 速度場、應變場分布特征

GPS 數(shù)據(jù)來源于“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”2009—2011年的觀測結果。數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOCK 軟件。首先，用GAMIT 軟件處理相位觀測數(shù)據(jù)，采用IGS 精密軌道、IERS 地球定向參數(shù)以及與方位角和高度角相關的天線相位中心模型。利用雙差相位觀測值計算各測站的坐標、相位整周模糊度，每測站每隔2 小時估計計算一個對流層延遲參數(shù)。并且固定歐亞板塊的若干IGS 站獲得在ITRF2000 參考框架下各GPS 形變監(jiān)測點的單日松弛解。然后，將所有單日松弛解利用GLOCK 軟件進行卡爾曼濾波得到各站的三維坐標、速度及其精度信息。最終，計算各點相對于歐亞板塊無旋轉的相對速度場。計算的GPS 速度東西向分量、南北向分量精度優(yōu)于1.2 mm/a，水平速度分量優(yōu)于1.7 mm/a。

如圖1 所示，青藏高原東緣地殼運動和變形情況復雜，但總體呈規(guī)律性變化。四川盆地內部速度較小，整體呈現(xiàn)出約7 mm/a 的近東向移動。其與巴彥喀拉塊體的邊界龍門山斷裂帶兩側速度差異明顯。其西側速度量級達到20 mm/a，東側速度量級僅為7 mm/a，這與已有的研究成果相矛盾［3］。雖然不同研究者對此區(qū)域所得的結論存在差異，而龍門山斷裂帶并不屬于高應變帶這一點是一致的。巴彥喀拉塊體內部的速率變化平緩，但是速度方向自西向東由東北東方向逐步過渡到近東向，由此可知巴彥喀拉塊體東西向拉長效果明顯，四川盆地西邊界的龍門山斷裂帶阻擋著這種構造運動。受汶川8.0級地震影響，龍門山斷裂帶震后形成了明顯的速度梯度帶，這反映出了震后松弛與大區(qū)域形變的調整狀態(tài)。在龍門山斷裂帶南北兩端的運動趨勢也存在差異，在南段速度方向為東南東方向與斷層垂直，使得斷層處于擠壓狀態(tài);在北段速度方向為近東向與斷層斜交，地殼運動表現(xiàn)出右旋走滑特性。鮮水河斷裂帶南北兩側的川滇塊體與巴顏喀拉塊體速度方向均為東南東方向但大小存在顯著差異，斷層南側的地殼運動速度大于北側，這使得斷層呈現(xiàn)左旋走滑特性。青藏高原中部的昆侖斷裂帶以及青藏高原東北緣的西秦嶺斷裂帶和祁連-海原斷裂帶地殼運動存在同樣性質的差異，這使得這些斷裂帶也表現(xiàn)出左旋走滑特性。這種左旋走滑的變形模式在青藏高原地區(qū)的斷層中具有普遍性。印度板塊自西南方向對青藏塊體的擠壓引起它與周圍剛體特性較好的塊體之間的相互作用以及青藏塊體內部的子塊體之間的相互作用是這種變形模式的根本原因。研究區(qū)域從總體上看速度還具有沿南西北東方向的遞減趨勢，這說明板塊在這個方向上存在縮短的趨勢。

利用GPS 速度場計算每個三角形單元的地應變分布如圖2、3 所示，圖2 中只繪制了通過顯著性檢驗的地應變分量，圖3 中還繪制了自1976年以來5級以上的地震震源機制圖。

根據(jù)應變變化特性，可將研究區(qū)分為三個典型變化區(qū)域，即塊體內部、塊體邊緣和塊體邊界。塊體內部為塊體內剛體特性比較突出的部分，其應變并不顯著，如圖2 中鄂爾多斯塊體內部、四川盆地地區(qū);塊體邊緣為塊體相互作用的影響在塊體內的延伸區(qū)域，其應變較為顯著，例如在龍門山斷裂帶兩側的四川盆地西緣和巴顏喀拉塊體東緣;塊體邊界為兩塊體相互作用的部分，絕大多數(shù)情況以活動斷層的形式存在，其應變分布最為顯著。

圖1 青藏高原東緣速度場Fig.1 Velocity field in the eastern margin of the Tibetan Plateau

圖2 青藏高原東緣顯著應變場Fig.2 Significant strain field in the eastern margin of Tibetan Plateau

如圖2 所示，龍門山斷裂帶南端分布著北西-南東方向的壓性應變，最大主應變可達－4 ×10－7/a，并且主應變方向與斷層方向垂直，有利于應變能的積累。而在其北端優(yōu)勢應變體現(xiàn)為南西-北東方向的拉性應變，并且與斷層方向斜交，使斷層表現(xiàn)出拉張的特性。雖然，龍門山斷裂帶在以往的研究資料中不被認為是高應變區(qū)，但是，汶川地震之后大區(qū)域的形變調整使得這里應變顯著變大，這種應變能的快速積累過程在一定程度上加速了2013年4月20日蘆山Ms7.0地震的發(fā)生。結合文獻［11］中研究成果，2001年11月14日昆侖山西口地震Ms8.1 之后，青藏高原西部東西向拉張在震后調整期明顯增強，造成青藏高原東部東西向擠壓明顯，而龍門山斷裂帶正處于擠壓的核心區(qū)，這在一定程度上加速了200年5月12日汶川Ms8.0地震的孕育過程。因而，在龍門山斷裂帶地區(qū)長期的緩慢的應變積累與短期應變快速累積的地震觸發(fā)模式值得深入研究。同時，龍門山斷裂帶及其周圍區(qū)域也是地震的高發(fā)區(qū)，這與巴彥喀拉塊體對四川盆地的大尺度、長時間、小量級的擠壓作用有直接關系。鮮水河斷裂帶主要分布著南西-北東方向的拉性應變，最大主應變可達3 ×10－7/a，這使得鮮水河斷裂帶處在擴張的狀態(tài)下不利于應變能的積。昆侖山斷裂帶的主應變并不顯著，顯示出這一斷裂帶經(jīng)歷了2001 的西昆侖Ms8.0 大地震的震后調整期地殼相對穩(wěn)定。在西秦嶺斷裂帶上主應變同樣表現(xiàn)出南西-北東方向的拉伸，最大主應變可達2.4 ×10－7/a，這不利于西秦嶺斷裂帶的應變能積累。祁連-海原斷裂帶上分布著量級約為－9 ×10－8/a，使得這一地區(qū)發(fā)生著緩慢的應變能積累。

在進行應變研究時，由于量級相對較小并且地殼構造的復雜性以及測量誤差的存在，必然導致應變計算結果的空間分布復雜性，以往對于最大剪切應變通常采用等值線的方法進行研究，但是等值線的繪制是以連續(xù)介質應變假說為前提。實際上由于斷層的廣泛發(fā)育，這種假說并不合理。因而，本文根據(jù)三角形法計算的最大剪應變進行分析，在形變監(jiān)測站點密度較大時，這種分析方式更加接近最大剪應變空間分布的真實情況。

如圖3 所示，相互垂直的雙箭頭表示了最大剪切應變的兩個可能的方向。青藏高原東緣最大剪切應變的高值區(qū)出現(xiàn)在龍門山斷裂帶上，量值達到3×10－7/a，這與已有研究資料［3］有所不同?？紤]到龍門山斷裂帶正處在震后形變的調整期，這一地區(qū)的剪應變高值區(qū)對于大震預測意義不大。在鮮水河斷裂帶出，最大剪應變達到了2 ×10－7/a，表明這一地區(qū)的地殼形變顯著，同時這一地區(qū)也是川西地區(qū)一直以來地殼運動最為活躍的地區(qū)。

4 結論

青藏高原東緣的龍門山斷裂帶自汶川Ms8.0地震之后成為區(qū)域內應變的高值區(qū)，這種應變集中現(xiàn)象應為汶川Ms8.0地震引起地殼松弛，震后大區(qū)域形變重新調整的結果。同時，青藏高原東緣的鮮水河斷裂帶也出現(xiàn)了局部的應變集中現(xiàn)象，剪切應變量級達到2 ×10－7/a。這一地區(qū)的持續(xù)高應變狀態(tài)反映了印度板塊推擠青藏高原亞板塊引起的地殼形變結果，在高原內部廣泛分布著北西-南東向的斷層，這樣的斷層走向到達南北地震帶時就變成了近南北方向，并且斷層受剪切力作用明顯。鮮水河斷裂帶就是這種變形模式的體現(xiàn)。汶川地震之后大區(qū)域的形變調整使得龍門山地區(qū)應變能的快速積累這在一定程度上加速了蘆山Ms7.0地震的發(fā)生，這種地震觸發(fā)模式在龍門山地區(qū)存在具有普遍性。

致謝感謝中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)提供的“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”2009—2011年GPS 監(jiān)測站點的速度場數(shù)據(jù)!

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